●特集「人工臓器と再生医療の融合」 Tissue-engineering による再生型人工弁の開発 大阪大学大学院医学系研究科心臓血管外科 小澤 秀登,澤 芳樹 Hideto OZAWA, Yoshiki SAWA に対する抵抗性,そして成長の可能性を認める再生型の人 はじめに 1. 工弁と考えられている。この TEHV 開発の基本的な概念は, 世界保健機関(WHO)による報告では,心血管疾患によ 心臓弁の構造および機能を tissue-engineering の手法を用 る年間死亡数は約 1,750 万人以上とされ,これは世界全体 いて再生することで,レシピエントの心臓弁として機能し 。中でも心臓弁疾患を伴う 得る人工弁を開発することである。心臓弁の構造を維持す 心血管疾患は主要因の 1 つである 1) 。修復困難な心臓弁疾 るための鋳型(scaf fold)の作製,機能を再生するための新 患に対する最も一般的な治療は人工弁による心臓弁置換で たな細胞の scaf fold への導入という大きな 2 つの部分から あり,一般的に使用されている人工弁は機械弁あるいは生 構成され,この scaf fold と新たに導入された細胞の相互作 体弁である。これらの人工弁の使用は心臓弁疾患による生 用により,移植された人工弁の自己組織化を目指すことを 存率の改善および生活の質(QOL)の改善を認め,有用な 目的としている。この TEHV は,理論的には様々なサイズ 治療法である。人工弁置換を必要とする患者数は 2003 年 の人工弁の作製が可能であり,また成長の可能性からも, で 29 万人以上とされ,2050 年には 85 万人以上となると考 小児の患者にとっても非常に有用な人工弁であると考える えられており 2),今後も人工弁を必要とする患者数は増加 ことができる。 の死亡原因の 30%にのぼる 1) していくことが予想されている。しかしながら,これらの 人工弁は成長するものではなく,また,感染のリスク,機 2. Scaffold の作製 械弁における抗凝固療法の必要性,生体弁における人工弁 Scaf fold の作製に関しては,生体材料(生体弁)を用いる の劣化等の問題を抱えている。また,特に小児の患者にとっ 方法と,人工的に作製する方法の 2 種類がある。生体弁を ては,小さな体格に適したサイズの人工弁がなく,また使 使用する方法は,生体弁を界面活性剤等の薬剤を用いて脱 用可能なサイズであっても,将来的な再手術が必須な状況 細胞処理することで,フィブリンおよびコラーゲンを基礎 である。 とした scaf fold を作製するものである 3) 。理想的な脱細胞 このような背景の中で,再手術の必要のなく,簡便な手 処理とは,組織より細胞外マトリックスの構造を維持しな 技で移植可能であり,完全な血行動態を維持することがで がら完全に細胞成分を除去することである。細胞成分の除 き,劣化することもなく,抗凝固療法を必要とせず,成長 去には種々の界面活性剤の使用が報告されている。界面活 等の生体活性を有する人工弁の開発は非常に望まれてい 性剤は細胞の DNA を傷害するが,細胞外マトリックスに る。 対しても影響を与えることが考えられ,細胞外マトリック Tissue-engineering の 手 法 を 用 い て 作 製 し た 心 臓 弁 スへの傷害は新しい細胞の再播種に影響を及ぼすことが考 (tissue-engineering heart valve, TEHV)は,抗凝固性,感染 えられる。現在までに様々な研究がなされており,界面活 ■著者連絡先 大阪大学大学院医学系研究科心臓血管外科 (〒 565-0871 大阪府吹田市山田丘 2-2) E-mail. sawa-p@surg1.med.osaka-u.ac.jp 54 性剤の種類あるいは濃度によっては細胞外マトリックスへ の影響も少なく,細胞成分の除去が可能であると報告され, Meyer らは,低濃度の界面活性剤の使用は大きな影響を来 さないとしているが 4),臨床レベルでの評価はさらなる検 人工臓器 45 巻 1 号 2016 年 討が必要である。 (circulating endothelial progenitor cell, cEPC)も,再播種に 人工的に scaf fold を作製する方法として考えられている 有用な細胞種として注目されている。この cEPC は,間質 の が,生 物 吸 収 性 の あ る ポ リ マ ー を 使 用 し 作 製 し た 性細胞および内皮細胞の両方の性質をもっていることか scaffold である。この scaffold は次第に生体に吸収され,そ ら,cEPC を単独で使用することで,心臓弁の構築が可能で のスペースに新たな組織が構築されることで心臓弁が作ら はないかと考えられている 8) 。また,cEPC は scaffold 内で, れる 5) 。この scaffold は,当初,皮膚の graft として開発され, 線維芽細胞あるいは筋線維芽細胞へ性質転換をするとの報 その厚さから心臓弁への応用が困難と考えられていた。近 告もあり,新しい scaf fold 内で,心臓弁組織として機能し 年,ナノテクノロジーを用いた新たなポリマーの開発によ ている可能性が示唆されている。 り,動物における肺動脈弁位に対する in vivo の検討で有用 性が報告されている 6) 。 臨床応用 以上のように,これまでの様々な研究を踏まえて,欧米 再細胞化 3. 4. にて臨床応用が進んでいる。現在のところ,TEHV は,左 Scaffold の作製と同様に,scaffold に対し再播種する細胞 心系ではなく右心系,特に右室流出路に対して使用されて に関する検討も進んでいる。TEHV が最終的に移植された いる。右室流出路でまず使用されている理由は,右心系は レシピエントの心臓弁として働くためには,この再播種さ 低圧系であることから,弁にかかるストレスが大動脈弁位 れた細胞が新しい scaf fold の環境内で生存し,かつ活動す と比較すると小さいためであると考えられる。一方で,左 ることが重要である。この細胞の再播種に関しても現在の 心系に対しても臨床研究が始まっており,脱細胞化し,内 ところ,大きく 2 つの方法が考えられている。1 つは採取 皮細胞にて再細胞化した TEHV を大動脈弁位に移植し,拒 し培養された細胞を使用する方法。もう 1 つは scaf fold の 絶反応もなく,弁の劣化を認めなかったとの報告があり, みを移植し,その後に血液中に存在する前駆細胞を使用す また従来の凍結保存した homograft と比較して,石灰化の る方法である。現在のところ,これらの細胞が再播種後に, 低度が低かったとの報告もある 9 ) 。現在,市販されて scaf fold 内で活動していることは知られているが,再播種 ,および Matrix P いる TEHV は SynerGraft®(Cryo life 社) のメカニズムや scaf fold 内での細胞の働き等に関しては, (Auto Tissue 社,Berlin)である。SynerGraft® は,脱細胞化 処理をされ,凍結保存された allograft であり,Gerson らは 現在も検討が進んでいる。 再播種に使用する細胞としては,ヒト由来あるいは動物 スタンダードな allograft に比べて,inter vention の割合,狭 由来の細胞を使用するとの報告もあるが,感染のリスクお 窄の進行の程度は低い等と報告している 10) 。Elkins らは よび免疫拒絶のリスクに関しては,逃れることができない。 Ross 手 術 の 際,32 例 の 患 者 に,そ し て 4 例 の 肺 動 脈 の このことから,最も適切なものと考えられるものは,患者 allograft からの再置換に SynerGraft® を使用し,その有用性 自身の細胞を用いることである。自己の細胞であれば,拒 を報告している 11) 。しかしその一方では,小児移植例に 絶反応を心配する必要がない。しかしながら,再播種を念 おいて弁の機能不全,組織破壊,変性が報告されている。 頭においた場合,比較的多くの細胞を必要とするが,心臓 全体的には,SynerGraft® は既存の allograft に比較して,安 弁移植を必要とする患者では,患者自身の細胞を充分に採 全であり,有用な選択肢と考えられる。しかしながら,臨 取することが難しい等の問題がある。最近の報告では,幹 床上の正確な適応に関しては,まだ決まっていないといえ 細胞(stem cell)が注目されており,特に骨髄由来幹細胞 る。その他の市場レベルで使用可能な TEHV としては, ヨー (mesenchymal stem cell, MSC)に関する研究が報告されて ロッパにて使用可能な Matrix-P があり,これは脱細胞化処 。MSC を使用する最も大きな利点は低侵襲での採 理したブタ肺動脈弁である 12) 。しかし,2006 年から 2010 取が可能であり,かつ自己の細胞であり拒絶反応を心配す 年までの 93 人を対象とした臨床研究では,弁機能不全回避 いる 7) る必要がないことである。この MSC に関しては,人工的 率は 2 年で 60.2%,狭窄を伴うものは 61%,仮性動脈瘤形 に作製した吸収性 scaf fold に接触することで刺激を受け, 成が 9%,また conduit の拡大が 6%と報告されている 13) 。 生体弁に似た構造を構築することが報告されている。また, この他にも同様の報告があり,免疫反応が惹起されること MSC 以外にも線維芽細胞および筋線維芽細胞を使用した で弁機能が低下している可能性が考えられ,広く広まって TEHV においても動物実験において良い成績が示されてい いないのが現状である。 る 7) 。 その他にも様々な臨床研究が報告されている。Dohmen 一方で,循環血液中に存在している血管内皮前駆細胞 らは,レシピエントの前腕から採取した静脈細胞を培養し, 人工臓器 45 巻 1 号 2016 年 55 図 1 新鮮脱細胞化心臓弁 それを脱細胞化した allograft に再播種し,Ross 手術の右室 流出路に用いた 14) 。また,Cebotari らは,ヒト肺動脈弁を 2 種類の界面活性剤を使用して脱細胞化して scaf fold を作 製し,凍結保存をせず,また in vitro での細胞の再播種をせ 図 2 術後 6ヶ月の時点での心臓 MRI 検査 8) 肺動脈血流速度:1.73 m/s,肺動脈順行性血流量:78 ml/beat, 肺動脈逆行性 血流量:0 ml/beat. ずに一定の期間内に移植する方法を開発した 15)(図 1)。 Sarikouch らの報告では,ドイツ・ハノーファー医科大学 にて,現在までに 131 例の患者の肺動脈弁位に対し,この を十分に認めるものであると考えられ,今後もさらなる発 TEHV を用いた移植手術を行っており,既存の homograft 展が望まれる。 等の人工弁と比較し,耐久性および再手術回避率が高いと の報告を行っている 16) 。すでにドイツにて移植組織とし 本稿のすべての著者には規定された COI はない。 て承認されており,また 2013 年からはヨーロッパにて多 施設研究が開始され,近々その成績が報告される予定であ る。日本においては,大阪大学病院にて 2014 年 10 月にファ ロー四徴術後の肺動脈弁閉鎖不全の患者に対し,ハノー ファー医科大学との共同研究により,国内初の TEHV の移 植を行い,短期の良好な成績が報告されている 17)(図 2)。 ま た,国 立 循 環 器 病 研 究 セ ン タ ー で は,3D プ リ ン タ ー (ProJet®)を使用することで正確な心臓弁の鋳型を作製し, それを動物の皮下に植え込むことで,自己の組織(コラー ゲン線維)による scaffold の作製を行い,この scaffold を動 物の肺動脈弁位に移植する研究が進められている 18) 。東 京 女 子 医 科 大 学 で は,生 体 分 解 性 ポ リ マ ー を 使 用 し た scaf fold の作製と,骨髄細胞を自己細胞として用いて臨床 応用を行っている 19) 。 5. まとめ Tissue-engineering の手法を用いた再生型心臓弁の開発 には目覚ましいものがある。Scaf fold の作製や,再播種に 使用する細胞に関して,様々な実験的研究が進んでおり, 臨床応用に関しても,様々な報告を認め始めている。理想 的な再生型人工心臓弁とは,再手術の必要がない,簡便な 手技で移植可能であり,完全な血行動態を維持することが でき,劣化することもなく,抗凝固療法を必要とせず,成 長等の生体活性を有する,いわゆる自己組織化した人工弁 である。TEHV はこの理想的な再生型心臓弁となる可能性 56 文 献 1) Angele P, Yoo JU, Smith C, et al: Cyclic hydrostatic pressure enhances the chondrogenic phenotype of human mesenchymal progenitor cells dif ferentiated in vitro. 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